无线传感器网络系统的设计
摘要：以温度数据采集网络的应用为例，依据组建无线传感器网络相关协议及其支撑技术，构建了一种多层次无线传感器网络模型。该模型采用3层拓扑结构：上层是由PC机和监控软件构成的监控中心；主网由中心控制节点组成，底层为传感器子网，包括路由节点、中继节点、传感器节点等。各部分协调工作完成温度数据采集和监控任务。
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009—3044(2012) 04—0767—04。
Wireless Sensor Network System’s Design。
GAO Song, TANG Yao—geng, LI Lan—jun。
(Electrical Inst, University of South China, Hengyang 421001, China)。
Abstract: The system is built using a variety of wireless sensor network protocols and supporting technologies, through data collection net? work scenarios for analysis, design of a typical multi—level network model. Model is divided into three levels: by the PC, and composition of the control center monitoring software; by the central control node for main network and the routing nodes, relay nodes, sensor nodes of the underlying sensor subnet; coordination of the various parts of the completion of the temperature and humidity data acquisition and monitoring tasks.
Key words: wireless sensor networks(WSN); temperature measurement; remote supervisory and control; routing protocol。
系统包括无线传感器网络节点硬件设计、无线传感器网络的管理和监控软件设计三部分。节点硬件电路设计主要包括数字温度传感器模块、无线通信模块、MCU模块和串口通信模块。无线传感器网络的管理包括路由协议、数据通信协议和加密算法，从而实现自适应选择路由路径，对通信数据进行严格校验，对无线传输数据进行加密。无线传感器网络的路由路径可以是多跳的，还可以根据环境变化对网络拓扑结构进行更改。无线温度采集系统监控软件的主要任务是对采集的数据进行集中分析、处理后进行实时显示和后台存储【1—3】。
1系统设计。
图1给出了监测系统结构，该系统拓扑上包括三层:上层是用户监测层，即监控中心，由PC算机和无线温度采集监控软件组成;中间层由中心控制节点构成，负责路由选择、收发指令和数据，中心控制节点布置在PC机附近，通过RS232总线与PC机通信，接受PC机的查询指令，在用无线的方式发送给传感器网络;最底层为传感器网络，它包含1个路由节点、1个中继节点以及若干个无线传感器节点(路由节点和中继节点的数量根据需要设置)，这些节点布置在工业现场各个测量点，包括处理器模块、温度传感器模块、无线通信模块等功能模块，温度传感器模块负责采集现场温度数据，采集到的数据根据中心控制节点发出的路由路径指令进行数据的远距离传输，将其传送送到位于监控中心的PC机进行处理【4—6】。
无线传感器网络由大量传感器节点组成，它们是无线传感器网络的基本单元，这些节点体积小，具有传感、数据处理和无线通信功能。只有这些节点稳定运行，才能保证整个网络的可靠性。
无线传感器网络中有4种传感器节点，即：它们是底层无线传感器节点、中继节点、中心控制节点和路由节点。这4种传感器网络节点一般采用通用的硬件结构，包括处理器模块、串行通信模块(布置于中心控制节点)、无线收发模块、传感器模块、电源模块和显示模块等，上述各模块通过不同的通信协议组态来定义各节点的功能。无线传感器网络节点的组成如图2所示。
在图2中，处理器模块负责系统管理，进行任务分配和数据处理;各节点之间的数据交换则主要有无线通信模块承担；传感器模块实时采集环境温度数据，按照要求的格式对采集的数据进行转换；系统的数据由存储器模块进行保存，以备查询，并确保断电后数据不会丢失（只有中心控制节点才配置）；串口通信模块承担PC机与中心控制节点之间的通信（也只布置在中心控制节点）；辅助显示模块可实时显示该节点的工作状态、各节点传感器的监测数据；节点各个功能单元同一由电源模块提供能量[5]。
2.1控制器。
系统采用NXP公司生产的LPC2103微控制器为主控芯片，LPC2103是一个基于支持实时仿真的16/32位ARM7 TDMI—S CPU的微控制器，片内具有32kB容量的高速Flash存储器，宽达128位的存储器接口加上独有的加速结构，使之使可以最大时钟频率运行32位代码。LPC2103封装尺寸小，自身功耗极低，这使LPC2103非常适用于各种小型应用系统中。芯片还内置了多个串行通信接口，包括UART、SPI、SSP和2个I2C总线等组成了混合串行通信接口，在片内8kB的SRAM支持下, LPC2103十分适用于实现通信网关、协议转换器、数学协处理器以及工业控制和医疗系统中[7]。
该模块用来实现节点间的无线通信，一般采用专用的无线数传模块。但是无线数传模块数据传输距离有限，只有l00m左右。如果将其布置在办公楼内，有可能由于环境的复杂和的墙体等因素的影响，会导致信号衰减较多，即使采用多跳的技术，可能也难以实现远距离的有效通信；，另一方面无线数传模块的数据安全也是一个要考虑的问题，综合考虑上述因素，本系统无线收发模块核心芯片采用nRF905单片射频收发器，该芯片可进行高速率的数据传输，通过SPI接口对芯片进行编程，使得配置简单方便，具有两种节能模式，易于实现低功耗设计[8]。
跟模拟温度传感器相比，数字式温度传感器采取高集成度设计，具有可靠性高、抗干扰能力强，器件体积小等诸多优点，已广为温度测控系统所采用。考虑到系统测温节点较多，系统采用DALLAS公司生产的DS18BZO单总线数字式温度传感器，它结构简单、不需外接元件，采用独特的单线接口，只用一个引脚实现通信，即可供电又可传输数据，简化了温度传感器的电路设计，提高了系统的可靠性[9]。
2.4存储模块。
系统中存储芯片采用Atmel公司生产的AT24C08存储芯片，AT24C08是串行CMOS EEPROM，容量8K。芯片采用了先进的CMOS技术，功耗低。AT24C08还有一个16字节的页写缓冲器，可通过I2C总线接口对芯片进行访问，可以很方便的进行在线读写，占用系统资源少，具有数据写保护功能，数据保存时间长，广泛应用办公自动化及通信类产品中。
LPC2103虽然具有两个串口，但其位TIA/EIA－232－F电平，与PC机进行通信时须进行电平转换，这样功能采用通信芯片MAX232来实现。系统使用LPC2103的串口0，通过芯片MAX232完成TIA/EIA－232－F电平与5－V TTL/CMOS电平的相互转换，实现串口通信功能。
2.6节点显示电路。
采用共阳四位一体数码管显示，运用三极管驱动数码管发光，为方便电路的模块化设计以及增强系统的可扩展和可移植性，该设计将数码管及相关驱动电路做成PACK板的形式，接口为标准的100mil间距，并将相应管脚有规律的引出（段选信号管脚为一排，管脚排列顺序按照A、B、C、D、E、F、G、H排列；位选信号管脚另作一排，管脚排列顺序按照L1、L2、L3、L4排列），控制板只需要提供相应的电源以及接口即可。
3网络管理及软件设计。
所设计的温度测量无线传感器网络，其网络服务程序也按中心控制节点、路由节点、底层传感器节点这3种层次组成。对不同节点的工作流程分别介绍如下：
4路由协议。
中心控制节点在执行路由协议过程中负责选择路由路径和接收温度数据。它将带有目标节点地址和传输路径的指令以泛洪的方式发送给所有子网节点，能接收到指令的子网节点通过判断目标节点地址和自身的权限来选择是否执行这条指令。中心控制节点路由选择流程如图5所示。
子网节点采用统一的的路由协议，节点首先判断自己是属于路由节点、中继节点还是底层传感器节点，这事通过对自身的物理地址的判断来实现的。协议中其中几个主要参数的含义如下：
ReadA1：硬件地址的前8位，用于标识节点的位置；。
ReadA2：硬件地址后八位，用来区分本节点的类型作为路由节点、中继节点还是底层传感器节点的权限；。
adrs2无线接收到的路径选择方案，其中Wiselesssend1、Wisselesssend2……Wiselesssend7代表不同的无线发送子程序，这些子程序由不同的传输路径执行。
5结束语。
所讨论的无线传感器温度监测网络，采用3层拓扑结构，底层的温度传感器采集环境温度，将数据发送给路由节点或中继节点，再由路由节点或中继节点把接收到的数据发送到中心控制节点，中心控制节点则通过RS232总线把温度数据传送到上层监控中心的PC机，集中对数据的进行分析处理，实现了对温度的远程测量与监控。
参考文献：
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